Cargas superficiales en conductores puestos a tierra en circuitos y transferencia de energía.
steve t
Estoy tratando de aprender los fenómenos electromagnéticos por mi cuenta y algunos libros de texto / artículos que leí al principio afirman que hay cargas superficiales en los cables de los circuitos (CC en particular).
La distribución de estas cargas adopta la forma de anillos (lo que parece ser importante).
Imagen de Matter & Interactions de Ruth W. Chabay y Bruce A. Sherwood.
Más o menos la misma información se encontraba en varios artículos y libros sobre electromagnetismo, líneas de transmisión, etc.
Entonces, si mi entendimiento es correcto, estas cargas superficiales son responsables no solo del voltaje entre los cables (es decir, el campo eléctrico), sino que también crean las condiciones necesarias para el flujo de corriente dentro del conductor (al menos en casos simples de CC), lo que nos da un campo magnético.
Y fundamentalmente todos estos mecanismos proporcionan transferencia de energía desde la fuente hasta la carga por medio de estos campos eléctricos y magnéticos.
Pensé que entendía los conceptos generales, pero luego reveló que algunos conductores en el mundo real parecen estar conectados a tierra (por ejemplo, el conductor externo en los cables coaxiales, el cable neutro en el sistema de alimentación trifásico, etc.)
Los intentos de encontrar información sobre lo que sucede durante este proceso a nivel microscópico no tuvieron éxito. Entonces mis preguntas son:
- ¿Afecta la puesta a tierra a todas estas cargas superficiales?
Estoy interesado principalmente en casos de circuitos de CC simples (como en el libro de texto mencionado anteriormente).
Digamos que tenemos un circuito que consta de una batería y una bombilla y lo conectamos a tierra (por conexión a tierra me refiero a conectar literalmente uno de los conductores de este circuito a la Tierra).
¿No fluirán todas las cargas a la Tierra desde la superficie del conductor conectado a tierra (o la redistribución al menos romperá estos patrones de anillo de cargas)?
Pero en este caso, el circuito debe detenerse para funcionar correctamente, es decir, sin cargas superficiales, por lo tanto, sin campos, sin transferencia de energía, etc.
Estoy totalmente confundido en este punto. Pensé que estos mecanismos eran los mismos para casi todas las situaciones (desde este simple 1,5 V CC hasta el cable de alimentación y las líneas HV) y, por lo tanto, las cargas son absolutamente necesarias en cualquier caso.
Por lo tanto, la segunda pregunta.
- ¿Está mal mi comprensión general?
Sé que mi conocimiento es superficial, pero estoy tratando de crear algún modelo mental para mí. Por favor ayuda.
PD: Me temo que todavía no estoy preparado para cosas como el campo E no conservativo inducido, la radiación EM, etc., así que trate de evitarlo.
Respuestas (3)
FV
Creo que tiene una buena comprensión de los conceptos generales relacionados con las cargas superficiales.
¿La conexión a tierra afectará las cargas superficiales en su circuito? Prácticamente no.
Las cargas no fluirán desde la superficie del conductor puesto a tierra a tierra.
Si conectara a tierra un conductor cargado, toda su carga se movería a tierra y dejaría el conductor neutral. Pero su circuito es neutral para empezar, por lo que no hay una carga excesiva de la que deshacerse.
La existencia de cargas superficiales en su circuito tiene que ver con la capacitancia de los cables. Debido a esa capacitancia, algunas cargas de la batería se moverán hacia/desde los cables para cargar este pequeño capacitor, incluso si el circuito está abierto.
La razón por la que estas cargas permanecerán en la superficie de los cables es porque las cargas excesivas siempre permanecen en la superficie de los conductores. Pero estas cargas superficiales serán excesivas solo localmente: en otro lugar del circuito habrá igual número de cargas superficiales de signo opuesto y, por lo tanto, el circuito en su conjunto permanecerá neutral.
Si uno de los cables está conectado a tierra, por ejemplo, un cable conectado al terminal negativo de la batería, un par de electrones se moverán hacia tierra, como si fuera otro cable, lo que podría aumentar ligeramente la capacitancia entre los cables. .
Pero, esa mayor capacitancia estará limitada por el tamaño del segundo cable positivo y, por lo tanto, seguirá siendo muy pequeño, por lo que no se necesitará mucha carga adicional para mantener el mismo voltaje (de batería) entre los dos cables.
Si cerramos el circuito y dejamos que la corriente fluya a través de una bombilla, la distribución de las cargas superficiales cambiará para reflejar el nuevo perfil de voltaje (una pequeña fracción del voltaje de la batería caerá en los cables, mientras que la mayor parte del voltaje caerá en la bombilla), pero el circuito, en su conjunto, permanecerá neutral y, por lo tanto, no se moverán cargas, si está conectado a tierra en cualquier punto.
En otras palabras, el efecto de la puesta a tierra en la distribución de las cargas superficiales seguirá siendo insignificante y tendrá que ver con cambios mínimos en la capacitancia entre los cables.
Ján Lalinský
Poner a tierra un conductor significa que estará en contacto conductivo con la tierra, que tiene un potencial de valor invariable, generalmente establecido en 0.
Si la corriente en el sistema es estacionaria, esto significa que el propio conductor tendrá el mismo potencial.
Pero esto no implica que todos los portadores de carga sean absorbidos por el suelo. Todavía se necesitan cargas en la superficie del conductor para crear un campo eléctrico en su interior que corresponda a la corriente que fluye a través de él (el campo necesario se puede calcular a partir de la corriente utilizando la ley de Ohm local).
Si todas las cargas negativas fueran succionadas, la carga neta del conductor sería grande y positiva y eso significaría que el conductor atrae cargas negativas de todas partes, incluida la tierra. Entonces, lo siguiente que sucedería es que el conductor absorbería las cargas negativas del suelo, hasta que se alcance el equilibrio.
usuario3786782
Puede encontrar útil el programa VPython tinyurl.com/SurfaceCharge que le permite explorar de forma interactiva el campo eléctrico de las cargas superficiales cuya distribución se calculó fuera de línea. En la primera situación, "Bloque de metal polarizado", encontrará que el campo eléctrico neto a la derecha del bloque de metal es significativamente mayor que el campo debido a las cargas externas (la carga positiva a la izquierda del bloque). En otras palabras, el metal NO "bloquea" el campo eléctrico, el campo a la derecha del bloque se hace más grande, no más pequeño, cuando el metal se mueve a su posición.
A continuación, explore el campo eléctrico en una situación similar, pero en el objeto de metal "Conectado a tierra", el metal está (aproximadamente) conectado a tierra, y encontrará que el campo neto a la derecha del bloque de metal es casi cero. Aleja el zoom y verás que la diferencia entre esta situación y la primera es que esta pieza de metal está unida a un bloque de metal distante que imita el papel de toda la Tierra en términos de "conexión a tierra". Tenga en cuenta también que cerca de la carga externa hay una gran concentración de carga negativa en el lado izquierdo del metal cercano, pero casi ninguna carga en el lado derecho, a diferencia de la situación en el primer caso. En el caso de conexión a tierra, donde el campo neto a la derecha es casi cero, el campo neto a la izquierda del metal cercano es mayor de lo que sería sin la presencia del metal conectado a tierra.
Otros ejemplos en tinyurl.com/SurfaceCharge incluyen varias configuraciones de circuitos. Aunque ninguno de ellos está siquiera aproximadamente "conectado a tierra", tiene que darse el caso de que el campo en los cables del circuito no se vea afectado por la conexión a tierra de un punto del circuito. La polarización procederá (muy rápidamente) para cargar el cable de puesta a tierra y el material conductor distante de tal manera que en el estado estable no fluirá corriente en el cable de puesta a tierra, aunque habrá algún cambio en los detalles de la distribución de carga superficial cerca del cable. punto del circuito donde se conecta el cable de puesta a tierra. Aunque la distribución de la carga superficial cambiará con la conexión a tierra, el campo en los cables del circuito no se verá afectado.
Para ver cómo el mismo campo y corriente en un circuito pueden resultar de condiciones externas muy diferentes, explore las situaciones etiquetadas como "En un solenoide" y "Descentrado en un solenoide". Me doy cuenta de que no quiere preocuparse por el momento con la ley de Faraday, pero por el momento acepte el hecho de que dentro de un solenoide largo, que tiene un campo magnético que es uniforme en todo el solenoide, si la corriente (y el campo magnético) está aumentando a una tasa constante en el tiempo, hay un patrón rizado de campo eléctrico ("no de Coulomb"). Observe en los dos casos cuán diferentemente se polariza el circuito, pero el patrón del campo eléctrico es el mismo. Aquí está mi artículo de blog sobre este caso: https://brucesherwood.net/?p=138
En cuanto a VPython, consulte vpython.org y glowscript.org.
bruce sherwood
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